《Science》子刊:困扰人类2000年的摩擦带电机制,终于解答了!
尽管接触物体的带电现象已被观察了至少2000年,但其潜在机制的细节仍未被完全了解。在此,来自德国杜伊斯堡大学的Rolf Möller等研究者,讨论了两种金属接触带电的最基本过程。相关论文以题为“Dynamics of contact electrification”发表在Science Advances上。
论文链接:
https://advances.sciencemag.org/content/7/22/eabg7595
接触带电是一种无处不在的现象,每当两个表面接触即会发生。这是在日常生活中,可以直接观察到的摩擦电的基本过程。而它也是雷暴、沙尘暴或火山喷发中闪电的成因。当处理潜在爆炸性液体或粉尘时,这是一个主要问题。尽管人们描述它已有2000多年,但其潜在机制仍然存在争议。
目前基本上,需要考虑三种电荷转移:电子、离子或带部分电荷的材料的转移。一般认为,对于金属-金属接触,电子在两个表面之间转移,从而建立了接触电位,这是由相应的功函数的差给出的。基于功函数差的预测与观察到的电荷转移相一致,有力地支持了金属-金属接触中电子转移的概念。
然而,金属-绝缘子或绝缘子-绝缘子接触的情况,并不那么明显。电子转移的作用,已经阐明了金属和无机绝缘体之间的接触,例如,观察温度依赖的热电子发射。另一方面,聚合物中弱束缚离子与转移电荷的相关性,为离子转移提供了证据。对于其他材料的组合,来自环境大气的水导致电荷转移,例如,30%的湿度,但既不是0%也不是100%。
高分辨率的局部电场测量实验表明,对于常用的摩擦电性聚合物,电荷可能在高电荷块的相反符号镶嵌结构中分布非常不均匀,但宏观净效应很小。尽管对接触带电的详细机理进行了讨论,但在过去的几个世纪里,仅通过实验建立了一个经验的摩擦学系列。采用液态金属-绝缘体界面,可大大提高再现性。接触起电率的不断提高,推动了摩擦电纳米发电机的发展。
基于此,研究者提出了一种新的实验技术,使得能够以前所未有的分辨率分析接触带电的电荷转移过程。它可以揭示从金属表面弹回的金属粒子的电势,是如何随时间演化的。然而,与普遍接受的金属-金属接触概念相反,研究者发现电荷随着碰撞速度的增加而增加。这种情况在金属-绝缘体或绝缘体-绝缘体接触中已被普遍观察到,但在金属-金属接触中却没有。
此外,它揭示了在接触之前没有电荷的“记忆”,因为在几微秒的力学接触期间建立了一个电接触。因此,球体的电势就降低到零点几伏特的接触电势。然而,在电触点断开的瞬间,球上的电荷在不到1 μs的时间内,建立起高达3 V的电位。在一个慢得多的时间尺度上,当球体和板块之间的距离增加时,势能会进一步增加。结果表明,球在接触瞬间放电,放电时间约为6~8 μs。
图1 实验装置方案。一个等效电路显示在右上角。
图2 测量电容器下极板上的电荷和导出的量。
图3 在接触前100 μs和接触后100 μs的第一次和第二次接触的详细信息。
综上所述,研究者通过新技术,可以用亚微秒的时间分辨率,详细研究在平板上弹跳的球的电荷和势。结果表明,电荷转移仅限于持续数微秒的短时间机械接触。在随后的接触中没有电荷的积累,因为电位被重置为每个接触点的接触电位。
在Harper和Lowell的模型之外,研究者发现了一种由金属-金属接触转移的电荷增加的冲击依赖机制。对于从金属板上弹回的金属球,电势可达10 V。研究者认为,在电接触中断的时刻,由于接触面积的变形,随着球和板之间的容量的增加。这对涉及绝缘体的接触带电和摩擦电也很重要,因为通过变形扩大接触面积,将以类似的方式导致电荷转移增强。然而,对于后者,由于缺乏导电性,电荷不会在随后的接触中“复位”,并可能随着每个接触积累。(文:水生)